A qualidade física de solos agrícolas pode ser afetada pelo sistema de manejo, sendo a magnitude das alterações dependente do tempo de uso do solo e das condições edafoclimáticas. Neste estudo, avaliou-se o efeito de longo prazo (21 anos) dos sistemas de preparo convencional (PC) e plantio direto (PD) sobre propriedades físicas da camada de 0-0,2 m de um Latossolo Bruno alumínico câmbico (629 g kg-1 de argila), em Guarapuava (PR). Em relação à área sob mata nativa, contígua ao experimento e tomada como referência, o cultivo do solo em PC resultou não só no aumento da densidade global (Ds), na resistência do solo à penetração (RP) e na temperatura do solo, mas também na diminuição do diâmetro médio geométrico dos agregados (DMG). A adoção do sistema PD promoveu uma melhoria nas propriedades físicas do solo em comparação ao PC, evidenciada pela diminuição de 9 % (de 1,08 para 0,99 Mg m-3) na Ds em subsuperfície (0,1-0,2 m), de 13 % (de 27,9 para 24,7 ºC) nas temperatura máximas (15 h), na camada de 0-0,05 m; e pelo aumento de 126 % (de 1,6 para 3,7 mm) no DMG dos agregados na superfície do solo (0-0,05 m), e de 26 % (de 0,38 m³ m-3 para 0,48 m³ m-3) no conteúdo de água volumétrica de 0-0,1 m. Por outro lado, o PC e o PD não se diferenciaram quanto aos seus efeitos na porosidade do solo (total, macro e micro), na condutividade hidráulica saturada, na resistência do solo à penetração e no grau de floculação de argila. O rendimento das culturas de soja (18 safras) e milho (4 safras) foi, respectivamente, 42 e 22 % superior em PD do que em PC, o que, possivelmente, reflete a melhoria na qualidade física do solo.